靶向肠道菌群及其代谢产物的动脉粥样硬化性疾病治疗

国思远 肖钰

(吉林大学第二医院心血管内科，吉林 长春 130012)

动脉粥样硬化是冠心病(CHD)、脑卒中和下肢动静脉血栓等疾病发生的根本原因〔1〕。2022年美国心脏协会(AHA)报道，心血管疾病已经成为第一死因，作为其主要发病原因的动脉粥样硬化需要有效的针对性治疗手段〔2〕。当前，使用扩血管药物降低血压，恢复全身血液灌流、使用有效的他汀类药物降低低密度脂蛋白(LDL)和胆固醇并稳定冠脉粥样斑块，是延缓病情发展、降低心血管不良事件发生的主要手段之一，且随着急诊冠脉血运重建救治水平的提高，由冠状动脉粥样斑块破裂所引起的急性心肌梗死救治率明显提高，但以血脂异常、高血压、吸烟等为主要致病因素的CHD患者的比率仍在逐年上升。肠道菌群是人体内复杂庞大的微观环境，通过微生物的组成和功能影响健康和疾病平衡。人类肠道微生物组由五个主要门组成，包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门〔3〕。这些微生物组的组成和比例与动脉粥样硬化的发生紧密联系在一起〔4〕。一些肠道微生物的补充可以通过抑制促炎免疫反应，抑制动脉粥样硬化〔5〕。同时，它们代谢过程的中间产物如三甲胺氧化物(TMAO)、短链脂肪酸(SCFAs)、多胺和苯乙酰谷氨酰胺等，能够作用在动脉粥样硬化发生发展过程中的诸多细胞和分子上，发挥疾病调控作用。因此，探究肠道菌群及代谢物在动脉粥样硬化起始、进展和并发症过程中的作用机制和影响通路，将为相关疾病的治疗提供新的靶点和研究方向。

1 肠道菌群及其代谢产物在动脉粥样硬化起始阶段的作用

动脉粥样硬化由高血压、高血糖和遗传改变等多种因素诱发。在起始阶段，外界因素累积过多，导致内皮细胞失去正常的屏障作用。以LDL为主的脂质穿越内皮，累积于内皮下。这些脂质进一步引发单核巨噬系统趋化和吞噬，并能够以载脂蛋白(Apo)B-100和胆固醇酯转移蛋白等成分为抗原物质诱导T细胞和B细胞的适应性免疫反应。以修复内皮损伤、缓解脂质沉积及抑制单核细胞趋化黏附为核心思想的治疗策略已被开发出来，并通过靶向肠道微生态以起始阶段缓解动脉粥样硬化发生。

1.1肠道菌群及其代谢产物修复内皮损伤 内皮细胞损伤是动脉粥样硬化发生的第一步。动脉粥样硬化过程中，可以表现为炎症、氧化应激、一氧化氮(NO)产出减低及内皮间充质转变等。受损的内皮细胞对LDL的屏障作用减低，增加后续疾病发生风险。在一项随机安慰剂对照试验中，向44名参与者提供含有双歧杆菌乳酸亚种和精氨酸的酸奶或安慰剂(正常酸奶)，12 w后应用反应性充血指数来检测内皮功能。结果显示，乳酸干预组的粪便和血浆中腐胺浓度明显高于安慰剂组，证实肠道菌群代谢物浓度受食物影响提升。同时，内皮功能得到改善，表明肠道菌群代谢物水平可以在一定程度上降低动脉粥样硬化的发生可能〔6〕。

NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白(NLRP)3炎症小体一直是导致细胞内炎症发生的明确机制之一。在病理条件下，NLRP3炎症小体激活，导致半胱天冬酶-1的自催化和活化，促进炎症细胞因子如白介素(IL)-1β等的成熟。既往已有报道显示NLRP3炎症小体的激活与冠状动脉内皮功能障碍及疾病发生相关〔7〕。SCFAs由特定的肠道菌群对未消化吸收的膳食纤维和抗性淀粉发酵而产生，可作为肠上皮细胞的能量底物，调节代谢过程与能量稳态。Yuan等〔8〕研究显示，在体外试验中，丁酸作为SCFAs的一员，可以显著减少由胆固醇或胆固醇晶体诱导的NLRP3炎症小体形成，机制上归因于氧化还原信号的阻断。机制上，这种调节作用依赖于丁酸盐对脂筏氧化还原信号平台的阻断。同时，以丁酸盐喂养的动脉粥样硬化小鼠模型同样表现出动脉壁中NLRP3小体形成和活化能力减低。

以IL-1β处理的离体胸主动脉构建损伤内皮细胞模型，应用丁酸盐能够明显消除细胞中活性氧(ROS)的产生。这种抑制作用在过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)α基因敲除或药理学抑制之后丧失。以高脂饮食饲养的ApoE缺失的雄性小鼠体内实验证实，丁酸盐的治疗挽救了小鼠因动脉粥样硬化受损的内皮细胞，这种作用同样会被PPAR抑制剂所阻断。此外，外泌体微小RNA(miR)-181b在这一过程中同样起到关键作用，证实上述丁酸盐对内皮的修复作用能够通过PPARσ/miR-181b途径减少氧化应激水平，缓解内皮损伤〔9〕。

1.2肠道菌群及其代谢产物缓解脂质沉积 降脂是缓解动脉粥样硬化形成的重要治疗原则。一些肠道微生物的补充已经在缓解动脉粥样硬化模型小鼠的血浆脂质水平中表现出强有力的治疗效果。研究表明，补充罗伊乳杆菌(CCFM)8631可显著降低血浆总胆固醇、LDL胆固醇水平，同时通过抑制TMAO水平及增加SCFAs水平的方式缓解饮食带来的高胆固醇情况〔10〕。Yiu等〔11〕的研究认为Toll样受体5在肠道菌群改善高血脂情况中起到有力作用。当血脂升高时，肠道菌群相关Toll样受体5缺失。而这种受体蛋白过表达时，核因子(NF)-κB激活并在ApoA1启动子区域结合，刺激ApoA1表达。口服补充时，同时有高密度脂蛋白水平升高。二者共同加速血液中脂质运输。未来有望通过靶向肠道微生态中这一受体来缓解动脉粥样硬化。而肠肝成纤维细胞生长因子(FGF)15和FGF受体4的活化，胆固醇7α羟化酶的降低及胆汁酸的合成可能都在肠道菌群调控动脉粥样硬化过程中发挥作用〔12〕。

同样靶向ApoA1进行脂质水平调节的还有SCFAs。在肠-肝共培养模型中进行的丁酸剂量反应实验证实，丁酸的加入促进了肝细胞中ApoA1转录提升，能够挽救炎症状态下肝细胞中ApoA1的低表达〔13〕。丁酸在促ApoA1表达的同时能够介导肉碱棕榈酰转移酶1及PPARα的靶基因和mRNA转录的提升，而前者与NF-κB呈负相关。因此丁酸的这种调节作用可能与PPARα反式激活与NF-κB的抑制相关〔14〕。这一调节将改善高密度脂蛋白功能，并在脂质运输过程中表现出良好的促进作用。

丙酸是SCFAs中的一员，以抗炎能力在机体中发挥作用。研究表明，在动脉粥样硬化动物模型中，给予丙酸可以减少肠道胆固醇转运蛋白尼曼匹克(Niemann-Pick)C1样1的表达，阻断肠道对胆固醇的吸收，进而降低血液总胆固醇和LDL胆固醇水平。同时，丙酸还能够增加肠道微环境中调节性T细胞亚群的细胞数量和IL-10的水平，对进一步缓解高脂饮食带来的高胆固醇水平具有有效作用〔15〕。随机双盲人体试验显示，实验者在给予8 w口服500 mg的丙酸后，血浆总胆固醇和所有非高密度脂蛋白胆固醇水平均有降低〔15〕。

1.3肠道菌群及其代谢产物抑制单核细胞趋化 脂质过度累积于内皮下，吸引循环单核细胞趋化，并于斑块部位分化为巨噬细胞。巨噬细胞是清除斑块内脂质及形成泡沫细胞的中心，因此，抑制单核细胞的趋化同样是解决动脉粥样硬化的办法之一。单核细胞的趋化过程主要包括滚动、黏附和迁移，涉及内皮细胞上的血管黏附分子(VCAM)-1、CC基趋化因子配体(CCL)2和CCL5及对应白细胞上的非常晚期抗原(VLA)-4、CC基趋化因子受体(CCR)2和CCR5。

肠道菌群，尤其是益生菌，已经被证实能够从多种途径抑制趋化因子的表达。植物乳杆菌(HNU)082可以通过增加SCFAs代谢来减少ICAM-1和VCAM-1表达，同时降低IL-1β、IL-6、干扰素(IFN)-γ及肿瘤坏死因子(TNF)-α等炎症因子的表达，调节炎症途径和炎性细胞浸润〔16〕。一种黏蛋白降解细菌(Akkermansiamuciniphila)在治疗高脂饮食饲养的小鼠8 w后，组织学评估证实斑块面积显著减小，机制上依赖于有效减低的炎症水平、趋化因子表达水平，并最终导致巨噬细胞浸润减少〔17〕。

耐力运动一向被认为是改善动脉粥样硬化性疾病的基础生活方式调节途径之一。耐力运动可以通过改善肥胖、高血糖、炎症和趋化因子等缓解动脉粥样硬化，近年研究表明，这种调节作用是通过肠道微生物群及衍生的SCFAs进行调控的。在这一过程中，大量生产SCFAs的菌群增长，并通过提升SCFAs水平，显著抑制趋化因子如VCAM-1和单核细胞趋化蛋白(MCP)-1的表达，最终达到改善动脉粥样硬化的目的〔18〕。

2 肠道菌群及其代谢产物在动脉粥样硬化进展阶段的作用

巨噬细胞清除脂质是一个漫长的过程。在这一过程中，氧化LDL与巨噬细胞清道夫受体的结合能力远远超过巨噬细胞内脂蛋白清除的能力，因此巨噬细胞逐渐因胆固醇吸收过度，形成泡沫细胞。大量的泡沫细胞构成动脉粥样硬化斑块主体，并由迁移增殖的血管平滑肌细胞在顶部形成纤维帽。如何清除累积的泡沫细胞是进展期动脉粥样硬化性疾病的重点。

2.1肠道菌群及其代谢产物抑制巨噬细胞内脂质累积 在泡沫细胞的形成过程中，巨噬细胞内胆固醇外流进程与脂蛋白吞噬进程之间的平衡十分重要，很多外界刺激都能够通过促进脂蛋白吞噬、抑制胆固醇外流途径促进动脉粥样硬化发生发展。加速胆固醇外流的一个重要作用位点就是促进ATP结合盒家族(ABC)受体表达，这是巨噬细胞上介导胆固醇逆向转运的重要受体。

吲哚-3-丙酸是肠道菌群衍生的色氨酸代谢物，是动脉粥样硬化性心脏病患者肠道菌群代谢组分析中下调最为严重的代谢物。已有研究表明，吲哚-3-丙酸给药可以抑制巨噬细胞外泌体miR-142-5p表达，进而上调ABCA1表达。通过改善这一信号通路，吲哚-3-丙酸有效加速巨噬细胞内胆固醇流出，防止胆固醇于细胞内过度累积形成的细胞毒性，延缓泡沫细胞生成。动物模型证实，吲哚-3-丙酸的膳食补充能够缓解动脉粥样硬化斑块进展；同时，吲哚-3-丙酸减低将诱导巨噬细胞内miR-142-5p过表达，加速动脉粥样硬化〔19〕。

此外，SCFAs如丁酸，也被证实能够在体内外诱导ABCA1表达升高，来介导巨噬细胞胆固醇外流，抑制泡沫细胞生成，并在给药16 w后能够显著降低高脂饮食诱导的小鼠模型的动脉粥样硬化斑块大小〔20〕。同时，果胶发酵产生的丁酸能够下调细胞中Niemann-Pick C1样1的表达，进而在信使核糖核酸(mRNA)水平上上调ABCG5和G8的水平。动物实验进一步证实，丁酸饲养的模型小鼠能够延缓高脂饮食诱导的动脉粥样硬化进展，减少斑块病变面积〔21〕。肠道微生物的一种代谢原儿茶酸同样能够调节巨噬细胞ABCA2和ABCG1的表达，机制上依赖于降低miRNA-10b分泌，最终调节鼠和人的巨噬细胞胆固醇外流，消退动脉粥样硬化病变〔22〕。

2.2肠道菌群及其代谢产物靶向其他途径抑制泡沫细胞形成 在清除脂质的过程中，除巨噬细胞外，部分增殖的平滑肌细胞同样具有吞噬和清除功能。这些平滑肌细胞可以进行类泡沫细胞转变，并占据泡沫细胞形成的另一部分主体。一些肠道菌群代谢产物能够通过增加平滑肌细胞的脂质外流，来减少泡沫细胞产生。如蔬菜、奶酪和红肉等食品经过肠道菌群代谢后，会生成多胺。多胺包含精胺、亚精胺和腐胺。在动脉粥样硬化模型小鼠中，精胺和亚精胺可以诱导血管平滑肌细胞自噬，介导血管平滑肌细胞中的胆固醇外流，以减少细胞中脂质累积。多胺治疗能明确减少坏死核心的形成，并抑制斑块进展，最终证实多胺同样可以作为未来潜在的动脉粥样硬化治疗途径之一〔23〕。

细胞内胆固醇经ABCA1受体逆向流出细胞后，经由ApoA1反向转运到循环中，并最终抵达肝脏。在肝脏中，胆固醇代谢为胆汁酸，并在胆汁酸转运蛋白的作用下排出。尽管ABCA1受体在胆固醇逆向转运、延缓泡沫细胞形成乃至抑制动脉粥样硬化发展过程中起到主要作用，但后续相关受体如胆汁酸转运蛋白等同样是防止疾病的可靠靶点。产气肠杆菌(ZDY)01既往被认为与延缓动脉粥样硬化密切相关。机制上，产气肠杆菌ZDY01的补充可以增强胆汁酸转运蛋白的表达，并通过调节法尼醇受体相关信号通路熊脱氧胆酸(CDCA)-法尼醇受体(FXR)/FGF15轴，促进斑块周围胆固醇的反向转运。应用产气肠杆菌ZDY01补充剂饲养的小鼠模型显示，其由胆碱诱导的动脉粥样硬化程度显著降低，显示出肠道菌群调控对动脉粥样硬化的进展具有显著的治疗潜力〔24〕。

此外，丁酸盐能够通过对组蛋白去乙酰化酶(HDAC)3的调控，抑制单核细胞分化为巨噬细胞，降低发挥免疫作用的巨噬细胞数目〔25〕。由于巨噬细胞是形成动脉粥样硬化斑块中泡沫细胞的主体，这将从整体上减少泡沫细胞的形成及其带来的过度炎症激活。丁酸盐还可以稳定维护脂多糖(LPS)刺激下的巨噬细胞功能，通过抑制HDAC，下调促炎介质IL-6和IL-12等〔26〕。这种对巨噬细胞内及疾病局部炎症水平的调节将对维持疾病微环境中所有损伤细胞功能具有一定的调节作用，抗炎同样是缓解动脉粥样硬化进展的重要治疗原则之一。

3 肠道菌群及其代谢产物在动脉粥样硬化并发症阶段的作用

血栓形成是动脉粥样硬化最终和最严重的并发症，急性血栓会引起急性冠脉综合征和脑卒中等，而持续性血栓将导致下肢严重缺血和外周动脉疾病等。动脉粥样硬化的血栓形成过程中，血小板被激活后与内皮和血管壁成分相互作用，依靠微环境中过高的炎症因子等水平，介导血小板与白细胞进一步黏附，造成血栓加重和血管闭塞。

苯乙酰谷氨酰胺由苯丙酮酸在特定微生物代谢后，与谷氨酰胺结合生成。2020年，一个由1 162例参与的非靶向代谢组学实验证实，苯乙酰谷氨酰胺与心血管事件，包括心肌梗死、脑卒中或死亡相关。这一结果同时在4 000例的验证队列中得到证实。功能实验表明，这种肠道微生物衍生代谢物能够增强全血、分离血小板和动脉损伤动物模型中血小板活化，并可以促进血栓形成。遗传和药理学实验证实，苯乙酰谷氨酰胺与G蛋白耦联受体包括α2A、α2B和β2-肾上腺素能受体相关，并经由这些受体，介导其促血栓生成事件〔27〕。肠道菌群衍生物丁酸同样对降低血栓形成风险做出贡献。随机双盲实验表明，补充能加快丁酸盐产生的食物，如含有菊糖和抗性淀粉丰富的食物，能够让人拥有更稳定的纤维蛋白原结构，并改善纤维蛋白对纤溶酶的敏感性。这一结果证实，富含丁酸盐的饮食能够调节血液氧化还原状态，并促进纤维蛋白降解，减低血栓形成风险〔28〕。同时，肠道微生物通过SCFAs代谢限制巨核细胞增殖和血小板活化已经被证实〔29〕。这种作用将使得肠道菌群代谢产物对血小板凝集致动脉粥样硬化斑块破裂后血栓形成具备潜在的应用价值。

4 展 望

饮食干预、益生菌干预、粪便微生物移植及中药治疗等依赖调节肠道微生态的治疗方式已经被提出，一些已经成功应用于动脉粥样硬化性疾病的治疗〔30，31〕。如摄入牛奶极性脂质成分能够拥有更高的拟杆菌、放线菌和双歧杆菌比例，同时厚壁菌丰度减低，这导致了血浆胆固醇减低的同时，炎症减低，并由动脉粥样硬化进展情况受到抑制〔32〕。更多药物如小檗碱、富含二十五碳烯酸的物质等同样在靶向肠道微生态方面表现出优异能力，为动脉粥样硬化性疾病的临床治疗提供新的方法〔33，34〕。

尽管当前有关肠道菌群与动脉粥样硬化的研究已在降脂和促进巨噬细胞胆固醇外流方面延伸广阔，但巨噬细胞吞噬功能修复、适应性免疫反应提升及平滑肌细胞类泡沫细胞转型等更多重要病理机制与肠道菌群功能的联系有待探究，更多肠道微生物及其代谢产物将被逐渐发掘。同时，肠道微生态环境无论在肠道菌群组成，还是微生物对食物等的反应上都具有个体特异性，因此，未来有望进行个体化肠道微生物调节，以给出指定饮食建议和药物选择。

此外，仍有一些肠道菌群相关因子将导致疾病的进展。如脆弱拟杆菌补充剂将导致小鼠动脉粥样硬化进展，机制上涉及CD36受体表达升高〔35〕。TMAO是富含磷脂酰胆碱、左旋肉碱、甜菜碱的食物如肉类、蛋黄、乳制品等进入体内被微生物分解，又经肝脏经黄素单加氧酶作用下产生的。体内外研究表明，以TMAO处理内皮细胞和平滑肌细胞将导致细胞内炎症水平及氧化应激水平上升，并最终促进C57BL/6小鼠动脉粥样硬化的进展〔36〕。抑制这些肠道微生物可作为靶向治疗动脉粥样硬化的有效策略。

最近一项研究成功地开发了一种基于机理的三甲胺(TMA)裂解酶抑制剂3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)，它以TMA裂解酶为靶点，限制了对TMAO的转化。单次口服剂量可使血浆TMAO水平显著降低长达3 d〔37〕，并降低血栓形成概率及由饮食所引起的血小板反应性增强。其次，从药代动力学角度分析，DMB具有一定的时间依赖性和较强的药效，可长期不可逆的抑制TMAO的产生且不影响其他共生体的正常功能。当前，抗血小板药物及以哺乳动物的酶和受体为靶点的药物可增加机体出血的风险，而特异性抑制微生物群落代谢产生TMAO则避免了这一有害结果。由此得出结论，DMB可作为CHD的有利治疗方法。因此，开发以选择性抑制肠道微生物群分解代谢为主要作用机制的药物，将成为未来治疗CHD的潜在发展方向。

综上，肠道微生物群落与宿主的相互作用在健康和心血管疾病易感性之间存在十分深远的影响。肠道菌群及其代谢产物通过免疫和代谢调节作用于体内的各种生理活动，与动脉粥样硬化性疾病发生发展联系密切。肠道菌群作用于机体内环境，从而对动脉粥样硬化的调节产生重要影响。尽管目前的研究还尚不明确菌群失调与动脉粥样硬化发生是因果性还是相关性，尽管更为有效、安全、合理的CHD防治策略需要制定，深入研究以肠道菌群为靶点的动脉粥样硬化防治策略，必将为未来制定更为个性化的精准医疗方案、提高临床诊治手段做出重要贡献。